淺談PS2332數控恒功率雙側向測井儀的研制

趙乃賡 孟 明 彭偉斌

（北京中地英捷物探儀器研究所,北京 102200）

一、概述

隨著煤田勘探的不斷深入,煤田測井越來越需要可靠性、重復性、穩定性和一致性好、測井曲線優良、價格合理的測井儀器。以往煤田使用的雙側向測井儀測量精度差,測井曲線存在以下問題:

1儀器的制作工藝水平較落后，部分線路老化、電路設計上存在著缺陷和不足，一致性差；

2儀器動態范圍小，兩端電阻率(高阻或低阻)測量精度差，測井曲線易出現“負差異”等現象，在部分煤田和礦區存在“雙軌”現象；

3仿CSU雙側向測井儀是目前國內測井效果較為理想的雙側向測井儀，但該儀器的深側向屏流源在地面系統中，功率控制工作由地面系統來完成，使得該儀器在配接地面系統時有很大的局限性，而且它的生產成本很高。

PS2332雙側向測井儀是一種新型的雙側向測井儀，在借鑒國內外先進技術的基礎上，針對以往雙側向測井儀測量精度差、動態范圍小、“雙軌”等不足之處，實施了改造。該測井儀應用單片機控制主電流，給出深、淺屏流源的功率控制信號，實現恒功率控制，使得儀器在保證測量精度不變的前提下，擴大了電阻率的動態測量范圍，通過軟件的計算和處理，自動調整電流和電壓的變化，保持主電流的功率恒定，極大地提高了儀器的動態范圍和精度。整套電路硬件十分簡單，最大限度地采用軟件取代了硬件，并且采用了5700系列雙側向電極的電極距尺寸，同時取得深淺兩條電阻率曲線，反映出地層真電阻率和侵入帶電阻率的變化。可直接掛接PSJ-2A型數字采集記錄儀和PST-1型數控成像系統。文章介紹了該儀器的基本工作原理，技術指標，軟硬件的實現方法及實際應用。

二、設計思想

采用恒功率控制方式,屏流優先。單片機進行數據運算和可變功率控制。可變功率控制的原則是在低阻層和高阻層時，電流和電壓在線性區域內得到最好利用，使功率源輸出的功率得到最大限度的利用。比如，單片機調節功率源的直流控制量，使得電子線路在高阻50000歐姆·米時電流很小，電壓很大，但不飽和失真，電壓折中后留有余量，以防遇到特殊情況時電壓突然增大而失真；線性電路的放大倍數要滿足在低阻1歐姆·米時電壓很小，電流很大，且在其變化的線性區域內。這樣雙側向測井儀在室內實驗時，模擬出許多個地層電阻率，得出每個地層電阻率對應的控制點。記錄好這些對應關系，將這些對應關系通過編程輸進單片機，單片機在儀器工作時根據查表法找到所對應的這些控制點，將它發送給深、淺屏流源的控制端。其電流分布見圖1。

圖2 電路方框圖

三、主要技術

1電路設計

深側向和淺側向電路的工作頻率為244Hz，深淺側向的轉換頻率為122Hz。深、淺側向功控電流源發射屏流與主流，監控電路使地層電流場達到動態平衡；電流測量電路測量主流ID（深側向）、IS（淺側向），電壓測量電路測量主流經過的目的層的壓降VD（深側向）、VS（淺側向）。所測得的 VD、VS、ID、IS送到由單片機組成的信號處理電路進行數據采集和處理，并采用一定的算法，控制深、淺側向功控電流源的功率輸出。

圖3 程序流程圖

2儀器的主要電路

（1）功控電流源電路

由單片機產生一個固定頻率（244Hz）的方波信號，其幅度受深、淺側向的電流控制，在深、淺側向電流控制信號的作用下，經單片機處理、功率放大，形成深、淺側向屏流。

（2）電壓、電流測量電路

深、淺側向電壓信號輸入到電壓測量電路，經低通濾波器濾波后，得到深、淺側向方波的電壓信號，送到單片機的A/D口進行采集。電流測量電路的組成與電壓測量電路完全一樣。

3應用單片機技術

該恒功率雙側向儀器的最大特點就是充分發揮了C8051F410單片機的作用，最大限度的采用軟件替代了硬件，很好地完成了數據采集和功率控制，所測得的各路模擬信號直接進行A/D轉換。單片機根據采集的深、淺側向電壓、電流信號，依據設定的功率控制算法通過數字恒功率調節器調節穩定，再經過D/A轉換，產生深、淺側向功率控制信號，去控制深、淺側向主電流的發射功率。

4軟件控制

程序經初始化后，依次完成數據采集、計算功率，D/A數模轉換，產生深、淺側向功率控制信號，深淺側向采用時分制控制，完成一次循環，直到使儀器深、淺側向主電流的發射功率達到設定的最佳指標。

PS2332數控恒功率雙側向測井儀的電路方框圖和軟件流程圖，請見圖2和圖3所示。

5主要技術特點及指標

四、主要技術特點

1儀器采用單片機技術，用軟件控制深淺側向功率，通過數字恒功率調節器調節，使深淺側向功率恒定，增加了儀器工作穩定性，擴大了儀器測量范圍，提高了測量精度。

圖4 恒功率雙側向曲線圖

2采用優化的電極尺寸，主要電極系尺寸仿國外5700電極系尺寸，用玻璃鋼棒一次加工成型，儀器直徑￠60mm，總長度5 200mm。這樣增加了探測深度，特別是淺側向探測深度的增加克服了高阻、高礦化度泥漿、大井眼對淺側向測量值的影響。

3深、淺側向功控電流源均采用大功率集成電路，使其帶負載能力大大增強，同時由于采用恒功率技術，使儀器在高礦化度泥漿中測井也能取得較好的資料。

4儀器可與PSJ-2A型數字采集記錄儀和PST-1型成像測井儀等地面系統直接掛接，進行其原有的組合測井，可實現新老井下儀器的全面兼容和過渡。

5儀器中采用了單片機、最大限度地采用軟件替代了硬件，并使用大規模的集成元件。作到了結構緊湊，硬件少，整套電路集成度較高，維修方便，保密性強。

五、主要技術指標

外徑:￠60mm

最大耐溫:85℃

最大測井速度:1000m/h

測量動態范圍:1歐姆·米～ 50000歐姆·米。

電阻率測量精度:

1歐姆·米～100歐姆·米 20%

100歐姆·米～2000歐姆·米 5%

2000歐姆·米～5000歐姆·米 10%

5000歐姆·米～50000歐姆·米 20%

探測深度：深側向2.54m,淺側向0.76m;

適用泥漿性質:0.018歐姆·米~3.08歐姆·米，鹽水泥漿；

測量最大井徑:400mm

六、實際應用

PS2332數控恒功率雙側向測井儀目前已在山西晉城的礦區，東北梅河口地區以及貴州六盤水礦區進行了多口井的測井試驗驗證，與以前的雙側向儀進行了曲線對比測井，證明該測井儀曲線質量明顯優于其他雙側向儀器，特別是動態范圍更大，高阻地層不平頭、不出負值。大井眼的情況下，深、淺側向曲線反映正常，不出現岐變現象。

圖4是在東北梅河口地區某井區所測的雙側向曲線對比圖。

[1]趙乃賡.改恒流式為恒功率式雙側向測井儀[J].測井技術,1990（3）.

[2]胡澍.地球物理測井儀器[M].北京:石油工業出版社，1991.

[3]鄭俊詳，謝冠平，李成富.SDL-7060恒功率式雙側向測井儀的研制 [J].石油儀器,2012.